净水技术 | 小型水厂如何实现数字化升级改造?

栏目导语

每一座水厂，都凝聚着几代人的智慧和汗水，都是一城一地老百姓安居乐业的根本保障。《净水技术》与国内各大水司强强联手，用科普与专业并重的视角探究各地标杆性水厂的每一个角落，让水厂在云端打开大门，展现别样的风采。



01 桃江水厂背景介绍

桃江县城市供水有限公司于1981年成立，现有桃江一、二水厂。2009年7月实现桃江县一、二水厂联网供水，形成了两座水厂、管线覆盖全城的环网状供水格局，供水面积约14平方公里，供水人口12万。

桃江县一水厂现有规模为3万m3/d，取水泵房距离水厂650m，送水泵房加压供水。

净水处理工艺流程：水源→取水头部→取水泵房→格栅池→絮凝沉淀池→气水反冲洗砂滤池→叠合式清水池→送水泵房→配水管网→用户。

桃江第二水厂现有规模为2万m³/d，取水泵房距离水厂2000m，送水泵房加压供水。

净水处理工艺流程：水源→取水头部→取水泵房→网格絮凝→平流沉淀池→虹吸滤池→清水池→送水泵房→配水管网→用户。

02 改造前问题分析

对于国内大多数县城级来说，目前城镇水厂都存在以下问题。



桃江水厂也是如此，由于建设年代较早，部分工艺设备逐渐老化，自动化程度不足问题慢慢突显，很大程度上影响了出厂水质保障与水厂安全稳定运行。以桃江一水厂为例 ，主要在滤池自控和加药系统部分进行问题剖析：
  2.1 现场滤池自控问题
（1）滤池PLC控制柜、送水泵房PLC控制柜无UPS电源，针对停电等突发事故的能力较低，从而影响生产供水。

（2）送水PLC100控制柜里面的 PLC连接多个远程IO子站，PLC负荷过大，稳定性不高。

（3）送水泵房和净水车间属于水厂关键工艺段，程序封装在一个PLC里面风险太大，一旦PLC宕机或者出现故障，将对正常的生产造成严重影响。

（4）现在水厂使用的交换机为TP-Link交换机，耐现场温度、湿度的能力低，一旦出现问题，导致PLC无法与下面的滤池子站通讯，影响供水。

（5）反冲洗泵房含2台鼓风机、3台反冲洗泵，均有abb变频器，但未实现变频控制，导致现在进行气水混冲和水冲时容易跑砂。

（6）现在滤池并未接入中控自动监控系统中，反冲洗和过滤都需要人工手动操作，无法达到自动化控制。

  2.2 现场加药自控问题

（1）二氧化氯投加系统

a）现场虽然有PLC，但PLC无法满足改造的自控需求。

b）氯酸钠储罐、硫酸储罐上无液位显示，无法为值班人员提供直观的液位展示，需人员现场进行查看。

c）无法实现自动投加，现场需配置变频器。

d）触摸屏程序功能过于简单。

e） 现在加氯系统并未接入中控自动监控系统中，加氯都需要人工手动操作，无法达到自动化控制。

（2） PAC投加系统

a）溶解池和稀释池之间为手动阀门，无法实现自动配药。

b）稀释池搅拌机未实现周期搅拌功能。

c）PAC投加泵的自动投加功能未能实现，无法精准投加。

d）两座PAC稀释池投加管路无电磁阀，无法实现自动切换投加。

E）加矾部分采用PAC现场制备+机械隔膜计量泵投加，投加量靠人工经验控制，投加量控制不准确，人工劳动强度较大。

03 改造方案
  3.1 滤池自控改造方案

现场PLC站：

（1）在送水泵房PLC100控制柜旁新增一个PLC100_B控制柜，作为滤池的主站，采用AB CompactLogix 1769系列PLC，通过MOXA交换机下接PLC400-PLC404子站，同时将原有的反冲洗和鼓风机等滤池公用设备点位从PLC100转接到柜内，将送水和滤池两个系统独立开来，并配置5KV的UPS不间断电源，将PLC100和PLC100_B接入UPS中，保证断电1小时内PLC正常工作，加强应急处理能力，保障供水安全。

（2） 将原有的PLC400中的交换机更换为工业级MOXA交换机，增强系统稳定性。

（3） 鼓风机和反冲洗泵的ABB变频器进行调试并投入使用。

（4）原有PLC400柜的触摸屏重新进行编程调试，满足现场使用要求。

（5）对PLC100_B柜内PLC进行编程，满足滤池相关自动化要求：


图：鼓风机、出风阀联动一步化控制

图：冲洗泵、水冲阀联动一步化控制
  3.2 加药系统自控改造方案

智能投加装置通过PLC控制系统实时采集传感器数据，如原水流量、原水浊度、原水温度、原水pH、沉淀水浊度的数值（注：产品内不含上述仪表）。根据当前水质利用相应的经验控制曲线和模型算法自动控制计量泵的输出，实时调整投加量，从而达到精准智能投加的目的，保证出水指标符合要求。智能投加装置能够实时统计运行时间、监测投加管路的流量和压力，实现智能切泵、智能冲洗、故障自诊断、智能维保提醒。



现场PLC站：

（1）为保障加药系统的稳定运行，建议将PLC601控制柜内的AB MicroLogix 1400升级为AB CompactLogix 1769系列PLC，原有的PLC602控制站保持不变，仍作为PLC601的远程IO子站。

（2）将原有的PLC601中的交换机更换为工业级MOXA交换机，增强系统稳定性。

（4）氯酸钠储罐、硫酸储罐增加液位计。

（5）PLC601的触摸屏重新进行编程调试，满足现场使用要求。

（6）PAC溶解池与稀释池之间的手动阀门更换为电磁阀，并接入PLC控制柜。

（7）两座稀释池管路增加电磁阀，并接入PLC控制柜。

（8）对PLC601柜内PLC进行编程，满足加药投加相关自动化要求：

a) 二氧化氯的精准自动投加；

b) 氯酸钠储罐、硫酸储罐低液位自动报警功能。

c) PAC溶解池与稀释池的自动配药功能。

d) PAC稀释池的周期搅拌功能。

e) PAC稀释池的自动切换功能，优先使用1#池，当1#池液位低于设定值的时候，自动切换2#池投加，同时1#池开始自动配药，保障PAC稳定投加。

f) PAC根据原水流量、沉淀池浊度等工艺仪表参数实现精准投加功能。



图：PAC智能投加装置控制柜（左） PAC智能投加装置（右）  3.3 其他自控系统改造接入

根据水厂的工艺要求，主要采用了工业控制计算机(IPC)+可编程控制器(PLC)+现场电控柜与检测仪表的三级拓扑结构监控模式。

本控制系统通过现场电控柜与检测仪表采集设备状态和工艺参数。PLC作为主要现场控制单元，根据水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。采用IPC作为上位机，进行复杂的数据处理、存储、监控及展示。通过光纤以太网将各PLC控制站、视频前端设备、网络设备相连，形成一个系统的通信网络，实现数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。

本地计算机监控管理系统采用以太网技术、具有C/S(客户机/服务器)结构形式的计算机网络，并可以与水务中台数据及网络服务器进行链接，可以使管理和技术人员更加有效、实时了解生产情况。同时满足数据采集采用标准化的模式（提供针对水厂的异构数据采集、数据控制组态策略管理、数据实时分析微服务模式）统一上传至水司中台系统，完成数据汇总分析，远程监视和控制的应用要求。

桃江一水厂取水泵房、送水泵房、平流沉淀池，经现场查勘，PLC均为AB系列PLC，从经济成本与后期组态数据接口统一的角度出发，不需要更换主体PLC控制柜，但需要对柜内的控制电缆、电子元器件重新检查梳理，并对构置物内的所有受控设备进行一一检验。

针对取水泵房、送水泵房的ABB变频器需要进一步调试，PLC柜控制逻辑进行进一步优化，并统一将上位机进行编程与二次开发。



  3.4 中控控制界面建设

（1）在中控室机柜旁边新增一台UPS不间断电源，保障中控室监控系统、服务器的断电1小时内正常运行，不影响数据记录和系统监控。

（2）将中控室交换机换为工业级MOXA交换机，保证数据通讯和系统监控。

（3）新增滤池监控画面，对滤池系统进行中控监控，可对单体设备进行操作，开放接口可在中控画面上对过滤和反冲洗参数进行调节，达到对滤池的最优控制。

（4）针对桃江县第一水厂上位监控应用软件系统主要功能包括：

a) 在打印机上定时或随机打印“班、日”生产报表，动力设备“开/停”时间表，事故报表，“旬、月、季、年”生产统计报表。每天定时自动生成反映生产情况的数据文件并存入磁盘建立生产档案，并可提供历史数据检索和查询功能，能显示或打印历史上某一天的生产情况。

b) 可检测、判断工艺流程中模拟量越限及动力设备出现的故障等事故，若有事故发生时在显示器上显示相应的事故状态，在磁盘上存储发生事故的时间及部位并在打印机上打印出事故通知单。系统对流量、液位、浊度、pH、色度、压力、余氯、溶解氧等重要的参数均设置越限报警功能，一旦发生报警能实时的在中心控制室特定区域发出声光报警。

c) 具有的报表及曲线功能如下：生产班报表，生产日报表，生产旬报表，生产月报表，生产季报表，生产年报表，全厂电耗日（月）报表，各工艺流程的主要设备运行报表等。各重要工艺环节主要仪表数据变化曲线，各主要用电设备耗电情况变化曲线等。

d) 中心控制室，工程师不需编程就可通过输入设备方便的进行系统组态选择控制方式、绘制显示图表、建立有关数据库，自动生成生产所需的应用软件及帮助软件。经过系统组态后，只要把生成的应用软件向下传递到各相关现场PLC控制站，就可以具体实施。系统组态应可对下列项目进行在线组态如系统结构、测量数据、历史数据、控制功能、图形文件、趋势文件、显示方式等。

e) 以上各项主要功能应配置汉字系统，各类操作均应以汉字菜单方式显示。

f）视频联动功能：实现与站内新建视频监控系统的统一监控与报警联动。

（5）搭建辅助决策系统，实现一、二水厂的信息化管理，并支持手机APP，方便现场运维管理人员使用。通过手机APP可以实现对水厂运行关键数据的实时查看，方便水司管理层和一线运维管理人员工作，是水厂安全稳定运行的有效保障。





04 日常管理多便利

水厂改造之前，桃江水司跟很多县级水厂一样，完全由人工去管理，不论是日常巡检还是制水过程中的加药、排泥、设备启停都由人工操作，费时费力。通过信息化改造及核心设备更换，在管理上带来显著好处，在日常工作、流程管理、人员布置和应急响应中均有明显体现。

日常工作：

改造后，所有数据均由系统进行自动记录，并且会根据历史数据进行校验核对，对于异常数据派单由人工复合，降低数据误差的同时大大降低人员工作强度。

另外，所有水厂人员均可通过收集APP远程查看水厂历史及实时数据，做到随时心中有数，降低厂长工作难度，及时对水厂管理进行动态调整。

流程管理：

改造后，通过平台的搭建，进行工单管理，系统采用固定派单和及时派单两种，每个工作流程从发现、派单、接单、解决、回馈这几个层面实现工单闭环。所有工单数据作为人员绩效考核依据，完成精细化管理。不仅规范了日常管理流程，而且大大降低厂长的管理难度，让所有奖惩有据可依。

应急响应：

改造后，利用平台实时监测，无需值班人员24小时“盯梢”。当突发情况（泵房漏水、暴雨高浊、加药泄露等）发生时，所检测设备第一时间通过平台采取声、光、弹窗等方式进行最高等级报警，并与工单管理系统联动，让值班人员在最短时间收到报警信息并及时采取处理措施，进一步保障供水安全。

05 节能降耗效果显

1）改造后水厂总体节能10%左右。

2）改造后液态聚铝原液每年投加170吨左右，价格1100元/t，总成本18.7万元，节药成本7.7万/年。



3）通过加装管道混合器、根据上水流量和原水浊度精准投加药剂制水反应效果明显提高滤前水浊度大幅降低到2度左右，减少了过滤池的反冲洗频率，二水厂原来每24小时左右反冲洗一次现在延长到50小时左右一次，厂区用水由原来的每月4.5万吨左右降到2万左右。每月节约用水2.5万吨。

4）电耗大幅降低改造前每千吨水249.3度电，改造后每千吨233.3度电

5）取水、制水、加药、送水全程自动化仪表控制，水质大幅提升，供水安全有保障，减少了公司人力成本，两个厂的值班人员从原先16人缩减到4人，实际人工成本每年降低72万，提高了水厂管理水平。

06 桃江县城市供水有限责任公司简介

桃江县城市供水有限责任公司创建于1980年。2020年11月转企改制为县属国有企业，隶属县住房和城乡建设局管理。公司现有自来水厂2座，实行联网供水，日供水能力5万吨；城区直径100毫米以上主输水管道200多公里，供水面积14平方公里，用户5.3万户，服务人口约15万，县城规划建成区内供水普及率达97％，水质符合国家饮用水标准。

公司在县委、县政府的正确领导和县住建局的具体指导下，秉承“让政府放心、让用户满意”服务宗旨，攻坚克难，开拓创新，强化管理，优化服务，为全县经济社会发展提供了强有力的用水保障。公司先后荣获“全国县镇供水先进单位”、“湖南省供水管理先进单位”、 “湖南省集中式供水卫生信誉度A级单位”、“益阳市办事公开示范点”、“桃江县诚信经营放心消费示范单位”等称号。

编辑：孙丽华
作者：桃江水厂

排版：马骏驰

校对：万梓薇